JP2008117794A - Actuator and manufacturing method thereof, and liquid jetting head and liquid jetting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板上に変位可能に設けられた圧電素子を有するアクチュエータ装置及びその製造方法、並びにこのアクチュエータ装置を用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。 The present invention relates to an actuator device having a piezoelectric element displaceably provided on a substrate, a manufacturing method thereof, and a liquid ejecting head and a liquid ejecting device using the actuator device.
電圧を印加することにより変位する圧電素子を具備するアクチュエータ装置は、例えば、液滴を噴射する液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドの液体吐出手段として用いられる。このような液体噴射ヘッドとしては、例えば、ノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドが知られている。このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法として、例えば、振動板上に下電極を形成し、この下電極上に圧電体層をスクリーン印刷によって形成し、圧電体層上に上電極を形成することで圧電素子とするものがある（例えば、特許文献１参照）。 An actuator device including a piezoelectric element that is displaced by applying a voltage is used, for example, as a liquid ejecting unit of a liquid ejecting head mounted on a liquid ejecting apparatus that ejects droplets. As such a liquid ejecting head, for example, a part of a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening is configured by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element so as to pressurize ink in the pressure generation chamber and thereby the nozzle opening Inkjet recording heads that discharge ink droplets are known. As a method for manufacturing such an ink jet recording head, for example, a lower electrode is formed on a vibration plate, a piezoelectric layer is formed on the lower electrode by screen printing, and an upper electrode is formed on the piezoelectric layer. There is a piezoelectric element (see, for example, Patent Document 1).
このように圧電素子を構成する圧電体層をスクリーン印刷によって形成した場合、圧電素子の短手方向の断面において、圧電体層の両端部の厚さが中央部の厚さよりも薄くなってしまい、上電極と下電極との間隔が圧電素子の両端部側が中央部よりも狭くなる。このため、圧電素子の両端部での電界強度は中央部よりも大きくなり、圧電素子の短手方向両端部に対向する領域の振動板にかかる応力が甚大となる。そして、この応力によって、振動板の駆動耐久性、特に、圧電素子の短手方向両端部に対向する領域の振動板の駆動耐久性が著しく低下してしまう虞がある。すなわち、圧電素子の繰り返し駆動によって、圧電素子の短手方向両端部に対向する領域の振動板にクラック等が発生してしまう虞がある。 In this way, when the piezoelectric layer constituting the piezoelectric element is formed by screen printing, the thickness of both ends of the piezoelectric layer becomes thinner than the thickness of the central part in the cross section in the short direction of the piezoelectric element, The distance between the upper electrode and the lower electrode is narrower at both ends of the piezoelectric element than at the center. For this reason, the electric field strength at both ends of the piezoelectric element is larger than that at the center, and the stress applied to the diaphragm in the region facing both ends in the short direction of the piezoelectric element becomes large. This stress may significantly reduce the driving durability of the diaphragm, particularly the driving durability of the diaphragm in the region facing both ends of the piezoelectric element in the short direction. That is, when the piezoelectric element is repeatedly driven, there is a possibility that a crack or the like may occur in the diaphragm in a region facing both ends in the short direction of the piezoelectric element.
このような問題を解決するために、圧電素子の断面において、圧電体層の上辺と下辺とが平行な部分を有する四辺形であり、圧電体層の側辺と下辺とのなす角度が９０°未満であり、上辺の長さが下辺の長さよりも小さくなるようにした圧電素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。 In order to solve such a problem, the cross section of the piezoelectric element has a quadrilateral shape in which the upper side and the lower side of the piezoelectric layer are parallel, and the angle formed between the side and the lower side of the piezoelectric layer is 90 °. There is proposed a piezoelectric element in which the length of the upper side is smaller than the length of the lower side (see, for example, Patent Document 2).
このような特許文献２に記載の圧電素子の構造では、圧電素子の両端部に対向する領域の振動板への応力集中は抑えられる。しかしながら、圧電素子の両端部には上電極が形成されない部分が存在し、この部分は圧電素子に電圧を印加しても実質的に駆動されないため、圧電素子の両端部に対向する領域の振動板の変形を阻害する要因となる。このため、圧電素子の両端部に対向する領域の振動板の変形量が低下し、インク滴の噴射量が減少してしまうという問題がある。 In the structure of the piezoelectric element described in Patent Document 2, stress concentration on the diaphragm in the region facing both ends of the piezoelectric element can be suppressed. However, there is a portion where the upper electrode is not formed at both ends of the piezoelectric element, and since this portion is not substantially driven even when a voltage is applied to the piezoelectric element, the diaphragm in the region facing both ends of the piezoelectric element It becomes a factor that hinders the deformation. For this reason, there is a problem that the deformation amount of the diaphragm in the region facing both ends of the piezoelectric element is reduced, and the ejection amount of the ink droplets is reduced.
なお、このような問題は、インク滴以外の液滴を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。勿論、液体噴射ヘッド以外の装置に搭載されるアクチュエータ装置においても同様に存在する。 Such a problem also exists in a liquid ejecting head that ejects droplets other than ink droplets. Needless to say, this also exists in an actuator device mounted on a device other than the liquid jet head.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、振動板の駆動耐久性を良好に維持しつつ圧電素子の駆動による振動板の変形量を向上することができるアクチュエータ装置及びその製造方法、並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an actuator device capable of improving the amount of deformation of the diaphragm due to driving of the piezoelectric element while maintaining good driving durability of the diaphragm, and a manufacturing method thereof And a liquid ejecting head and a liquid ejecting apparatus.
上記課題を解決する本発明は、基板の一方面側に設けられた下電極と該下電極上に設けられた圧電体層と該圧電体層上に設けられた上電極とからなる複数の圧電素子を有し、該圧電素子の短手方向の断面における各圧電素子の前記圧電体層の両端部側の厚さが中央部よりも相対的に厚くなっていることを特徴とするアクチュエータ装置にある。 The present invention for solving the above-mentioned problems is a plurality of piezoelectric elements comprising a lower electrode provided on one side of a substrate, a piezoelectric layer provided on the lower electrode, and an upper electrode provided on the piezoelectric layer. An actuator device comprising: an element, wherein a thickness of each piezoelectric element at both ends of the piezoelectric layer in a cross-section in a short direction of the piezoelectric element is relatively thicker than a central part. is there.
かかる本発明では、圧電素子の短手方向両端部での下電極と上電極との間隔が、中央部での間隔よりも広くなるため、圧電素子に電圧を印加した際の電界強度は、圧電素子の両端部よりも中央部が大きくなり、圧電素子の両端部に対向する領域の振動板（いわゆる振動板腕部）にかかる応力が抑えられる。したがって、振動板へのクラックの発生を防止することができる。 In the present invention, since the distance between the lower electrode and the upper electrode at both ends in the short direction of the piezoelectric element is wider than the distance at the central part, the electric field strength when a voltage is applied to the piezoelectric element is The central portion is larger than both end portions of the element, and the stress applied to the diaphragm (so-called diaphragm arm portion) in the region facing both end portions of the piezoelectric element is suppressed. Therefore, generation | occurrence | production of the crack to a diaphragm can be prevented.
ここで、前記圧電体層の厚さは、中央部から両端部側に向かって漸大していることが好ましい。このような構成では、圧電素子の短手方向において、振動板にかかる応力が徐々に変化するため、振動板の破壊をより確実に防止することができる。 Here, it is preferable that the thickness of the piezoelectric layer gradually increases from the center toward both ends. In such a configuration, the stress applied to the diaphragm gradually changes in the short direction of the piezoelectric element, so that the destruction of the diaphragm can be prevented more reliably.
また、前記圧電体層の上面が曲面となっていることが好ましい。このような構成では、圧電素子の短手方向において、振動板にかかる応力が滑らかに変化するため、振動板の破壊をさらに確実に防止することができる。 The upper surface of the piezoelectric layer is preferably a curved surface. In such a configuration, since the stress applied to the diaphragm changes smoothly in the short direction of the piezoelectric element, the destruction of the diaphragm can be prevented more reliably.
また、各圧電素子を構成する前記圧電体層の両端部の厚さが、中央部の厚さの１．２〜１．５倍であることが好ましい。このような構成では、圧電素子の短手方向両端部と中央部とでの電界強度の差が比較的大きくなり、振動板腕部にかかる応力集中をさらに確実に防止することができる。 Moreover, it is preferable that the thickness of the both ends of the said piezoelectric material layer which comprises each piezoelectric element is 1.2 to 1.5 times the thickness of a center part. In such a configuration, the difference in electric field strength between the both ends in the short direction of the piezoelectric element and the central portion becomes relatively large, and stress concentration applied to the diaphragm arm portion can be further reliably prevented.
また、各圧電素子を構成する前記圧電体層の側端面と前記下電極の表面とのなす角が略９０°であることが好ましい。このような構成では、圧電体層の幅と上電極膜の幅とが略同一となり、下電極膜と上電極膜との間に電圧を印加することで、圧電体層全体が圧電素子の変形に寄与する。したがって、圧電素子の変形に伴う振動板の変位量が増加し、インク滴の噴射量が増加する。 Moreover, it is preferable that an angle formed between a side end surface of the piezoelectric layer constituting each piezoelectric element and a surface of the lower electrode is approximately 90 °. In such a configuration, the width of the piezoelectric layer and the width of the upper electrode film are substantially the same, and by applying a voltage between the lower electrode film and the upper electrode film, the entire piezoelectric layer is deformed by the piezoelectric element. Contribute to. Accordingly, the amount of displacement of the diaphragm accompanying the deformation of the piezoelectric element increases, and the amount of ink droplet ejection increases.
また、本発明は、ノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板を有し、該流路形成基板の一方面側に、前記圧力発生室内の液体に前記ノズル開口から液滴を噴射させるための圧力を付与する圧力発生手段として上記のアクチュエータ装置を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。かかる本発明では、耐久性を向上し、また液滴の吐出特性を向上した液体噴射ヘッドを実現することができる。 The present invention further includes a flow path forming substrate provided with a pressure generating chamber communicating with the nozzle opening, and the liquid in the pressure generating chamber is dropped from the nozzle opening on one side of the flow path forming substrate. The liquid ejecting head includes the actuator device as pressure generating means for applying pressure for ejecting the liquid. According to the present invention, it is possible to realize a liquid jet head with improved durability and improved droplet discharge characteristics.
また、本発明は、上記液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。かかる本発明では、信頼性を向上した液体噴射装置を実現することができる。 According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head. According to the present invention, a liquid ejecting apparatus with improved reliability can be realized.
さらに、本発明は、基板の一方面側に設けられた下電極と該下電極上に設けられた圧電体層と該圧電体層上に設けられた上電極膜とからなる複数の圧電素子を有するアクチュエータ装置の製造方法であって、前記基板上に所定パターンの前記下電極を形成する工程と、前記下電極が形成された基板上にレジスト材料を塗布して前記圧電体層が形成される領域以外の領域にレジスト膜を形成する工程と、該レジスト膜が形成された基板上に圧電材料を塗布し圧電材料を該レジスト膜で画成される凹部内に充填することによって圧電体前駆体膜を形成し、該圧電体前駆体膜を乾燥・脱脂・焼成することにより前記圧電素子の短手方向の断面における両端部側の厚さが中央部よりも相対的に厚い圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に前記上電極を形成する工程と、を具備することを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法にある。 Furthermore, the present invention provides a plurality of piezoelectric elements comprising a lower electrode provided on one side of a substrate, a piezoelectric layer provided on the lower electrode, and an upper electrode film provided on the piezoelectric layer. A method of manufacturing an actuator device having a step of forming the lower electrode in a predetermined pattern on the substrate, and applying a resist material on the substrate on which the lower electrode is formed to form the piezoelectric layer A step of forming a resist film in a region other than the region, and applying a piezoelectric material on the substrate on which the resist film is formed and filling the piezoelectric material into a recess defined by the resist film, thereby producing a piezoelectric precursor Form a film, and dry, degrease, and fire the piezoelectric precursor film to form a piezoelectric layer that is relatively thicker at both ends in the cross section in the short direction of the piezoelectric element than at the center. And on the piezoelectric layer In the manufacturing method of the actuator device characterized by comprising a step of forming a pole, the.
かかる本発明の製造方法では、圧電材料を凹部内に充填することによって圧電体前駆体膜を形成することで、表面張力により圧電体前駆体膜の上面が下電極側を凸とする曲面に形成される。したがって、この圧電体前駆体膜を焼成することで、上面が下電極側を凸とする曲面である圧電体層が形成される。すなわち、両端部側の厚さが中央部よりも相対的に厚い圧電体層を比較的容易に形成することができる。 In the manufacturing method of the present invention, the piezoelectric precursor film is formed by filling the recess with the piezoelectric material, so that the upper surface of the piezoelectric precursor film is formed into a curved surface with the lower electrode side convex due to surface tension. Is done. Therefore, by firing this piezoelectric precursor film, a piezoelectric layer having a curved surface with the upper surface protruding from the lower electrode side is formed. That is, it is possible to relatively easily form a piezoelectric layer in which both end portions are relatively thicker than the central portion.
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２は、流路形成基板の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図であり、図３は、図２（ａ）のＢ−Ｂ′断面図である。図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では結晶面方位が（１１０）面のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化によって二酸化シリコンからなる厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet recording head which is an example of a liquid jet head according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. As shown in the drawing, the flow path forming substrate 10 is made of a silicon single crystal substrate having a crystal plane orientation of (110) in this embodiment, and one surface thereof has a thickness of 0. An elastic film 50 of 5 to 2 μm is formed.
流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２がその短手方向（幅方向）に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向一端部側には、隔壁１１によって区画され各圧力発生室１２に連通するインク供給路１３と連通路１４とが設けられている。さらに、連通路１４の外側には、各連通路１４とそれぞれ連通する連通部１５が設けられている。流路形成基板１０の弾性膜５０側の面には、詳しくは後述するが保護基板３０が接合されており、連通部１５は、この保護基板３０に設けられるリザーバ部３２と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する。インク供給路１３は、その幅方向の断面積が圧力発生室１２の幅方向の断面積よりも狭くなるように形成されており、連通部１５から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。例えば、本実施形態では、インク供給路１３は圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。また、各連通路１４は、圧力発生室１２の幅方向両側の隔壁１１を連通部１５側に延設してインク供給路１３と連通部１５との間の空間を区画することで形成されている。この連通路１４は、インク供給路１３の幅よりも広い幅、例えば、本実施形態では、圧力発生室１２と略同一幅で形成されている。すなわち、連通路１４は、インク供給路１３の幅方向の断面積よりも広い幅方向の断面積を有する。 In the flow path forming substrate 10, a plurality of pressure generation chambers 12 partitioned by the partition walls 11 are arranged in parallel in the short direction (width direction). Further, an ink supply path 13 and a communication path 14 that are partitioned by a partition wall 11 and communicate with each pressure generation chamber 12 are provided on one end side in the longitudinal direction of the pressure generation chamber 12 of the flow path forming substrate 10. Furthermore, a communication portion 15 that communicates with each communication path 14 is provided outside the communication path 14. As will be described in detail later, a protective substrate 30 is bonded to the surface of the flow path forming substrate 10 on the elastic film 50 side, and the communication portion 15 communicates with a reservoir portion 32 provided on the protective substrate 30 so that each pressure is provided. A part of the reservoir 100 serving as a common ink chamber of the generation chamber 12 is configured. The ink supply path 13 is formed so that the cross-sectional area in the width direction is narrower than the cross-sectional area in the width direction of the pressure generation chamber 12, and the flow path resistance of the ink flowing into the pressure generation chamber 12 from the communication portion 15. Is kept constant. For example, in this embodiment, the ink supply path 13 is formed with a width smaller than the width of the pressure generation chamber 12. Each communication passage 14 is formed by extending the partition walls 11 on both sides in the width direction of the pressure generating chamber 12 toward the communication portion 15 to partition the space between the ink supply path 13 and the communication portion 15. Yes. The communication path 14 is formed with a width wider than the width of the ink supply path 13, for example, substantially the same width as the pressure generation chamber 12 in this embodiment. That is, the communication path 14 has a cross-sectional area in the width direction that is wider than the cross-sectional area in the width direction of the ink supply path 13.
流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１３とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。 On the opening surface side of the flow path forming substrate 10, a nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with the vicinity of the end of each pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply path 13 is provided with adhesive or heat. It is fixed by a welding film or the like. The nozzle plate 20 is made of, for example, glass ceramics, a silicon single crystal substrate, stainless steel, or the like.
一方、このような流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対側の面には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。なお、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。 On the other hand, as described above, the elastic film 50 having a thickness of, for example, about 1.0 μm is formed on the surface of the flow path forming substrate 10 opposite to the nozzle plate 20, and the elastic film 50 is formed on the elastic film 50. An insulator film 55 having a thickness of, for example, about 0.4 μm is formed. Further, on the insulator film 55, a lower electrode film 60 having a thickness of, for example, about 0.2 μm, a piezoelectric layer 70 having a thickness of, for example, about 1.0 μm, and a thickness of, for example, about 0 A piezoelectric element 300 composed of an upper electrode film 80 of .05 μm is formed. In general, one electrode of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. In the present embodiment, the lower electrode film 60 is used as a common electrode of the piezoelectric element 300 and the upper electrode film 80 is used as an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed for convenience of a drive circuit and wiring. Here, the piezoelectric element 300 and the diaphragm that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as a piezoelectric actuator.
ここで、本実施形態では、図３に示すように、圧電素子３００の短手方向（幅方向）では、圧電素子３００を構成する下電極膜６０は、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングされてそれぞれ独立するように形成されている。なお、下電極膜６０は、圧電素子の長手方向では、圧力発生室１２に対向する領域からその外側まで延設され、圧力発生室１２の外側の領域でそれぞれ接続されて複数の圧電素子３００に共通する共通電極となっている（図２参照）。圧電体層７０は、その短手方向の両端面、すなわち両側端面が、下電極膜６０の表面に対して略９０°となるように形成されている。具体的には、圧電体層７０は、その側端面と下電極膜６０の表面とのなす角θが、９０°±２°程度となるように形成されている。そして、本発明では、この圧電体層７０の両端部側の厚さｔ１が中央部の厚さｔ２よりも相対的に厚くなるようにしている。例えば、本実施形態では、圧電体層７０は、その短手方向中央部から両端部側に向かって厚さが漸大するように形成されており、圧電体層７０の上面は曲面となっている。上電極膜８０は、圧電体層７０上に略均一な厚さで形成されているため、圧電素子３００と同様に、その上面が曲面となっている。 Here, in this embodiment, as shown in FIG. 3, in the short direction (width direction) of the piezoelectric element 300, the lower electrode film 60 constituting the piezoelectric element 300 is located in a region facing each pressure generating chamber 12. It is formed by patterning so as to be independent of each other. The lower electrode film 60 extends from the region facing the pressure generation chamber 12 to the outside in the longitudinal direction of the piezoelectric element, and is connected to each of the regions outside the pressure generation chamber 12 to connect to the plurality of piezoelectric elements 300. The common electrode is common (see FIG. 2). The piezoelectric layer 70 is formed such that both end surfaces in the short direction, that is, both end surfaces are approximately 90 ° with respect to the surface of the lower electrode film 60. Specifically, the piezoelectric layer 70 is formed so that the angle θ formed between the side end surface thereof and the surface of the lower electrode film 60 is about 90 ° ± 2 °. In the present invention, the thickness t1 on both ends of the piezoelectric layer 70 is relatively larger than the thickness t2 of the center portion. For example, in the present embodiment, the piezoelectric layer 70 is formed so that the thickness gradually increases from the center in the short direction toward both end portions, and the upper surface of the piezoelectric layer 70 is a curved surface. Yes. Since the upper electrode film 80 is formed on the piezoelectric layer 70 with a substantially uniform thickness, the upper surface of the upper electrode film 80 is a curved surface, like the piezoelectric element 300.
このような構成では、圧電素子３００の両端部側での下電極膜６０と上電極膜８０との間隔が、圧電素子３００の中央部での間隔よりも広くなる。したがって、圧電素子３００に電圧を印加した際の電界強度は、圧電素子３００の両端部側よりも中央部が大きくなり、圧電素子３００の両端部に対向する領域の振動板（いわゆる振動板腕部）にかかる応力が抑えられる。よって、振動板の、特に振動板腕部の駆動耐久性が実質的に向上する。すなわち、圧電素子３００の繰り返し駆動による振動板腕部へのクラックの発生を防止することができる。 In such a configuration, the distance between the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 on both ends of the piezoelectric element 300 is wider than the distance at the center of the piezoelectric element 300. Therefore, the electric field strength when a voltage is applied to the piezoelectric element 300 is larger at the center than at both ends of the piezoelectric element 300, and a diaphragm in a region facing both ends of the piezoelectric element 300 (so-called diaphragm arm portion). ) Is suppressed. Therefore, the driving durability of the diaphragm, particularly the diaphragm arm, is substantially improved. That is, it is possible to prevent cracks from occurring in the diaphragm arm portion due to repeated driving of the piezoelectric element 300.
圧電体層７０の短手方向中央部の厚さｔ１に対する両端部の厚さｔ２は、特に限定されないが、中央部の厚さｔ１の１．２〜１．５倍程度であることが好ましい。これにより、圧電素子３００の短手方向両端部と中央部とでの電界強度の差が比較的大きくなり、振動板腕部にかかる応力集中をさらに確実に防止することができる。また、圧電素子３００の変位を実質的に低下させることもない。 The thickness t2 of both end portions with respect to the thickness t1 of the central portion in the short direction of the piezoelectric layer 70 is not particularly limited, but is preferably about 1.2 to 1.5 times the thickness t1 of the central portion. As a result, the difference in electric field strength between the both ends in the short direction and the center of the piezoelectric element 300 becomes relatively large, and stress concentration applied to the diaphragm arm can be further reliably prevented. Further, the displacement of the piezoelectric element 300 is not substantially reduced.
さらに、本実施形態では、圧電体層７０の側端面が下電極膜６０の表面に対して略９０°となっている。すなわち、圧電体層７０の幅と上電極膜８０の幅とが略同一となっており、下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加することで、圧電体層７０全体が圧電素子３００の変形に寄与する。したがって、圧電素子３００の変形に伴う振動板の変位量が増加し、インク滴の噴射量が増加する。 Further, in this embodiment, the side end surface of the piezoelectric layer 70 is approximately 90 ° with respect to the surface of the lower electrode film 60. That is, the width of the piezoelectric layer 70 and the width of the upper electrode film 80 are substantially the same. By applying a voltage between the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80, the entire piezoelectric layer 70 is This contributes to the deformation of the piezoelectric element 300. Accordingly, the amount of displacement of the diaphragm accompanying the deformation of the piezoelectric element 300 increases, and the amount of ink droplet ejection increases.
勿論、圧電体層７０は、図４に示すように、上電極膜８０側の幅が狭くなるようにパターニングされ、その側端面が傾斜面となっていてもよい。この場合、上電極膜８０の外側の領域の圧電体層７０ａは、実質的に圧電素子３００の変形に寄与しないため、振動板の変位量の増加は小さくなるが、圧電素子３００の繰り返し駆動による振動板腕部へのクラックの発生は確実に防止することができる。 Of course, as shown in FIG. 4, the piezoelectric layer 70 may be patterned so that the width on the upper electrode film 80 side becomes narrow, and the side end surface thereof may be an inclined surface. In this case, since the piezoelectric layer 70a in the region outside the upper electrode film 80 does not substantially contribute to the deformation of the piezoelectric element 300, the increase in the displacement amount of the diaphragm is small, but the piezoelectric element 300 is repeatedly driven. Generation of cracks in the diaphragm arm can be reliably prevented.
なお、本実施形態では、下電極膜６０が各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングされているため、弾性膜５０及び絶縁体膜５５が振動板として機能するが、例えば、下電極膜６０を圧電素子３００の並設方向に沿って連続的に形成し、弾性膜５０及び絶縁体膜５５と共に下電極膜６０が振動板として機能するようにしてもよい。また、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみを振動板として機能させることも可能である。 In this embodiment, since the lower electrode film 60 is patterned in a region facing each pressure generating chamber 12, the elastic film 50 and the insulator film 55 function as a diaphragm. For example, the lower electrode film 60 May be formed continuously along the direction in which the piezoelectric elements 300 are arranged, and the lower electrode film 60 together with the elastic film 50 and the insulator film 55 may function as a diaphragm. Further, for example, it is possible to cause only the lower electrode film 60 to function as a diaphragm without providing the elastic film 50 and the insulator film 55.
また、このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００を保護するための圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接着層３５によって接合されている。なお、圧電素子保持部３１は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。また、連通部１５に対向する領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通するリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、上述したように、流路形成基板１０の連通部１５と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。また、本実施形態では、保護基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられており、この貫通孔３３内に下電極膜６０の一部及びリード電極９０の先端部が露出されている。 Further, on the flow path forming substrate 10 on which such a piezoelectric element 300 is formed, a protective substrate 30 having a piezoelectric element holding portion 31 for protecting the piezoelectric element 300 is bonded to a region facing the piezoelectric element 300. Joined by layer 35. Note that the piezoelectric element holding portion 31 only needs to have a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300, and the space may be sealed or not sealed. Further, a reservoir portion 32 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction is provided in a region facing the communication portion 15. As described above, the reservoir section 32 communicates with the communication section 15 of the flow path forming substrate 10 and constitutes the reservoir 100 serving as a common ink chamber for the pressure generation chambers 12. In the present embodiment, a through hole 33 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction is provided in a region between the piezoelectric element holding portion 31 and the reservoir portion 32 of the protective substrate 30. In 33, a part of the lower electrode film 60 and the tip of the lead electrode 90 are exposed.
なお、保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料の面方位（１１０）のシリコン単結晶基板を用いて形成した。 As the protective substrate 30, it is preferable to use a material substantially the same as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10, for example, glass, a ceramic material, etc. In this embodiment, the same material as the flow path forming substrate 10 is used. A silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) was used.
保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動回路２００が実装されている。この駆動回路２００としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等が挙げられる。そして、駆動回路２００とリード電極９０とがボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線２１０を介して電気的に接続されている。また、保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料で形成される。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。 A drive circuit 200 for driving the piezoelectric element 300 is mounted on the protective substrate 30. Examples of the drive circuit 200 include a circuit board and a semiconductor integrated circuit (IC). The drive circuit 200 and the lead electrode 90 are electrically connected via a connection wiring 210 made of a conductive wire such as a bonding wire. A compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the protective substrate 30. Here, the sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility, and one surface of the reservoir portion 32 is sealed by the sealing film 41. The fixing plate 42 is made of a hard material such as metal. Since the region of the fixing plate 42 facing the reservoir 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the reservoir 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. Has been.
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路２００からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が噴射される。 In such an ink jet recording head of this embodiment, ink is taken in from an external ink supply unit (not shown), filled with ink from the reservoir 100 to the nozzle opening 21, and then in accordance with a recording signal from the drive circuit 200. Applying a voltage between each of the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 corresponding to the pressure generation chamber 12 to bend and deform the elastic film 50, the insulator film 55, the lower electrode film 60, and the piezoelectric layer 70. As a result, the pressure in each pressure generating chamber 12 increases, and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.
以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図５〜図８を参照して説明する。なお、図５及び図６は、圧電素子の短手方向（幅方向）の断面図であり、図７及び図８は、圧電素子の長手方向の断面図である。 Hereinafter, a method for manufacturing such an ink jet recording head will be described with reference to FIGS. 5 and 6 are cross-sectional views in the short direction (width direction) of the piezoelectric element, and FIGS. 7 and 8 are cross-sectional views in the longitudinal direction of the piezoelectric element.
まず、図５（ａ）に示すように、シリコンウェハであり複数の流路形成基板１０が一体的に形成される流路形成基板用ウェハ１１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン膜５１を形成する。なお、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０として、厚さが約６２５μｍと比較的厚く剛性の高いシリコンウェハを用いている。 First, as shown in FIG. 5 (a), a flow path forming substrate wafer 110, which is a silicon wafer and on which a plurality of flow path forming substrates 10 are integrally formed, is thermally oxidized in a diffusion furnace at about 1100 ° C. A silicon dioxide film 51 constituting the elastic film 50 is formed on the surface. In the present embodiment, a silicon wafer having a relatively thick and high rigidity of about 625 μm is used as the flow path forming substrate wafer 110.
次に、図５（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。具体的には、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、例えば、スパッタ法等によりジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、このジルコニウム層を、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５を形成する。 Next, as shown in FIG. 5B, an insulator film 55 made of zirconium oxide is formed on the elastic film 50 (silicon dioxide film 51). Specifically, after forming a zirconium (Zr) layer on the elastic film 50 (silicon dioxide film 51) by, for example, sputtering, the zirconium layer is thermally oxidized in a diffusion furnace at 500 to 1200 ° C., for example. Thus, the insulator film 55 made of zirconium oxide (ZrO 2 ) is formed.
次いで、図５（ｃ）に示すように、例えば、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ｉｒ）とを絶縁体膜５５上に積層することにより下電極膜６０を形成した後、この下電極膜６０を所定形状にパターニングする。なお、下電極膜６０は、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ｉｒ）とを積層したものに限定されず、これらを合金化させたものを用いるようにしてもよい。また、下電極膜６０として、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ｉｒ）の何れか一方の単層として用いるようにしてもよく、さらに、これらの材料以外の金属又は金属酸化物等を用いるようにしてもよい。 Next, as shown in FIG. 5C, for example, the lower electrode film 60 is formed by laminating platinum (Pt) and iridium (Ir) on the insulator film 55, and then the lower electrode film 60 is formed. Pattern into a predetermined shape. The lower electrode film 60 is not limited to a laminate of platinum (Pt) and iridium (Ir), and an alloy of these may be used. Further, the lower electrode film 60 may be used as a single layer of any one of platinum (Pt) and iridium (Ir), and a metal or a metal oxide other than these materials may be used. Also good.
次に、図５（ｄ）に示すように、下電極膜６０が形成された流路形成基板用ウェハ１１０上にレジスト膜２５０を形成する。すなわち、下電極膜６０が形成された流路形成基板用ウェハ１１０上にレジスト材料を、例えば、スピンコート法等により塗布して、その後、所定のマスクを用いて露光・現像・ベークを行うことにより、圧電体層７０が形成される領域以外の領域にレジスト膜２５０を形成する。例えば、図示する断面においては、下電極膜６０が除去された領域、すなわち、絶縁体膜５５上にレジスト膜２５０を形成する。このとき、レジスト膜２５０の端面が、下電極膜６０の表面に対して略９０°となるように形成する。なお、レジスト材料は、ネガレジスト又はポジレストの何れを用いてもよい。 Next, as shown in FIG. 5D, a resist film 250 is formed on the flow path forming substrate wafer 110 on which the lower electrode film 60 is formed. That is, a resist material is applied on the flow path forming substrate wafer 110 on which the lower electrode film 60 is formed, for example, by spin coating or the like, and then exposure, development, and baking are performed using a predetermined mask. Thus, a resist film 250 is formed in a region other than the region where the piezoelectric layer 70 is formed. For example, in the illustrated cross section, the resist film 250 is formed on the region where the lower electrode film 60 is removed, that is, on the insulator film 55. At this time, the resist film 250 is formed so that the end face thereof is approximately 90 ° with respect to the surface of the lower electrode film 60. Note that either a negative resist or a positive resist may be used as the resist material.
次に、圧電体層７０を形成する。具体的には、まず、図６（ａ）に示すように、レジスト膜２５０が形成された流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、スピンコート法等によってチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料を塗布し、レジスト膜２５０によって画成された凹部２５１内に圧電材料を充填することで未結晶状態の圧電体前駆体膜７１を形成する。すなわち、圧電材料をレジスト膜２５０よりも低い高さとなるように塗布して圧電体前駆体膜７１を形成する。このように形成された圧電体前駆体膜７１は、表面張力によってその上面が下電極膜６０側を凸とする曲面となるように形成される
次いで、この圧電体前駆体膜７１を所定温度で所定時間乾燥させて溶媒を蒸発させ、乾燥した圧電体前駆体膜７１を所定温度で脱脂する。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜７１の有機成分を、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることである。その後、流路形成基板用ウェハ１１０を、例えば、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置等に挿入して、圧電体前駆体膜７１を約７００℃の高温で焼成して結晶化することにより、圧電体層７０を形成する（図６（ｂ））。このように形成された圧電体層７０は、その短手方向両端部の厚さが中央部よりも厚くなる。
Next, the piezoelectric layer 70 is formed. Specifically, first, as shown in FIG. 6A, lead zirconate titanate (PZT) or the like is formed on the flow path forming substrate wafer 110 on which the resist film 250 is formed by, for example, spin coating. A piezoelectric precursor film 71 in an uncrystallized state is formed by applying the piezoelectric material and filling the recess 251 defined by the resist film 250 with the piezoelectric material. That is, the piezoelectric precursor film 71 is formed by applying a piezoelectric material so as to have a height lower than that of the resist film 250. The piezoelectric precursor film 71 formed in this way is formed so that its upper surface becomes a curved surface having a convex surface on the lower electrode film 60 side by surface tension. Next, the piezoelectric precursor film 71 is formed at a predetermined temperature. The solvent is evaporated by drying for a predetermined time, and the dried piezoelectric precursor film 71 is degreased at a predetermined temperature. Here, degreasing refers, the organic component of the piezoelectric precursor film 71, for example, is to be detached as NO 2, CO 2, H 2 O or the like. Thereafter, the flow path forming substrate wafer 110 is inserted into, for example, an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus and the like, and the piezoelectric precursor film 71 is crystallized by baking at a high temperature of about 700 ° C. A layer 70 is formed (FIG. 6B). The piezoelectric layer 70 thus formed is thicker at both ends in the short direction than at the center.
なお、有機物であるレジスト膜２５０は、圧電体前駆体膜７１を乾燥、脱脂、焼成する際に酸化されてガスとして放出されてしまう。圧電体層７０が形成された段階で、レジスト膜２５０が残存している場合は、その後の工程で除去すればよい。 Note that the organic resist film 250 is oxidized and released as a gas when the piezoelectric precursor film 71 is dried, degreased and baked. If the resist film 250 remains at the stage where the piezoelectric layer 70 is formed, it may be removed in a subsequent process.
また、圧電体層７０は、圧電体前駆体膜７１を形成する工程、乾燥する工程、脱脂する工程、焼成する工程を複数回繰り返すことによって形成するようにしてもよい。ただし、この場合には、圧電体前駆体膜７１を形成する工程で、その都度レジスト膜２５０を形成する必要がある。 In addition, the piezoelectric layer 70 may be formed by repeating the step of forming the piezoelectric precursor film 71, the step of drying, the step of degreasing, and the step of baking a plurality of times. However, in this case, it is necessary to form the resist film 250 each time in the step of forming the piezoelectric precursor film 71.
圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料に、ニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等を用いてもよい。その組成は、圧電素子の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよいが、例えば、ＰｂＴｉＯ３（ＰＴ）、ＰｂＺｒＯ３（ＰＺ）、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３（ＰＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＭＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＺＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＮＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＩＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ１／３Ｔａ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＳＴ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＳＮ−ＰＴ）、ＢｉＳｃＯ３−ＰｂＴｉＯ３（ＢＳ−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ３−ＰｂＴｉＯ３（ＢＹ−ＰＴ）等が挙げられる。 As a material of the piezoelectric layer 70, for example, a relaxor ferroelectric material obtained by adding a metal such as niobium, nickel, magnesium, bismuth or yttrium to a ferroelectric piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT). It may be used. The composition may be appropriately selected in consideration of the characteristics and application of the piezoelectric element. For example, PbTiO 3 (PT), PbZrO 3 (PZ), Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (PZT) , Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PZN-PT), Pb (Ni 1 / 3 Nb 2/3) O 3 -PbTiO 3 (PNN-PT), Pb (In 1/2 Nb 1/2) O 3 -PbTiO 3 (PIN-PT), Pb (Sc 1/3 Ta 2/3) O 3 -PbTiO 3 (PST-PT ), Pb (Sc 1/3 Nb 2/3) O 3 -PbTiO 3 (PSN-PT), BiScO 3 -PbTiO 3 (BS-PT), BiYbO 3 -PbTiO 3 ( BY-PT Etc. The.
次に、図６（ｃ）に示すように、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０を流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成した後、例えば、イオンミリング等によって上電極膜８０をパターニングすることにより、圧電体層７０の上面に上電極膜８０を形成する。これにより、各圧力発生室１２に対向する領域に圧電素子３００が形成される。すなわち、短手方向の両端部における圧電体層７０の厚さが中央部よりも相対的に厚い圧電素子３００が形成される。 Next, as shown in FIG. 6C, after the upper electrode film 80 made of, for example, iridium is formed on the entire surface of the flow path forming substrate wafer 110, the upper electrode film 80 is patterned by, for example, ion milling or the like. Thus, the upper electrode film 80 is formed on the upper surface of the piezoelectric layer 70. Thereby, the piezoelectric element 300 is formed in a region facing each pressure generating chamber 12. That is, the piezoelectric element 300 is formed in which the thickness of the piezoelectric layer 70 at both ends in the short direction is relatively thicker than that at the center.
次に、図７（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って金（Ａｕ）からなるリード電極９０を形成後、各圧電素子３００毎にパターニングする。次いで、図７（ｂ）に示すように、複数の保護基板３０が一体的に形成される保護基板用ウェハ１３０を、流路形成基板用ウェハ１１０に接着層３５を介して接合する。保護基板用ウェハ１３０には、圧電素子保持部３１、リザーバ部３２等が予め形成されている。次いで、図７（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をある程度の厚さとなるまで薄くする。次に、図８（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる保護膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、流路形成基板用ウェハ１１０を、保護膜５２をマスクとして、例えば、ＫＯＨ等のアルカリ溶液によって異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、圧力発生室１２、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５を形成する（図８（ｂ））。 Next, as shown in FIG. 7A, a lead electrode 90 made of gold (Au) is formed over the entire surface of the flow path forming substrate wafer 110 and then patterned for each piezoelectric element 300. Next, as shown in FIG. 7B, a protective substrate wafer 130 in which a plurality of protective substrates 30 are integrally formed is bonded to the flow path forming substrate wafer 110 via an adhesive layer 35. On the protective substrate wafer 130, a piezoelectric element holding portion 31, a reservoir portion 32, and the like are formed in advance. Next, as shown in FIG. 7C, the flow path forming substrate wafer 110 is thinned to a certain thickness. Next, as shown in FIG. 8A, a protective film 52 made of, for example, silicon nitride (SiN) is newly formed on the flow path forming substrate wafer 110 and patterned into a predetermined shape. The flow path forming substrate wafer 110 is anisotropically etched (wet etching) with an alkaline solution such as KOH, for example, using the protective film 52 as a mask, so that the pressure generation chamber 12, the ink supply path 13, the communication path 14 and the communication part 15 are formed (FIG. 8B).
その後は、図示しないが、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を除去して連通部１５とリザーバ部３２とを連通させ、保護膜５２を除去する。なお、この保護膜５２は除去せずに残しておいてもよい。そして、流路形成基板用ウェハ１１０及び保護基板用ウェハ１３０の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。また、流路形成基板用ウェハ１１０の保護基板用ウェハ１３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、保護基板用ウェハ１３０にコンプライアンス基板４０を接合し、これら流路形成基板用ウェハ１１０等を、図１に示すような一つのチップサイズに分割することによって上述した構造のインクジェット式記録ヘッドが製造される。 Thereafter, although not shown, the elastic film 50 and the insulator film 55 are removed, the communication part 15 and the reservoir part 32 are communicated, and the protective film 52 is removed. The protective film 52 may be left without being removed. Then, unnecessary portions of the outer peripheral edge portions of the flow path forming substrate wafer 110 and the protective substrate wafer 130 are removed by cutting, for example, by dicing. Further, the nozzle plate 20 having the nozzle openings 21 formed on the surface of the flow path forming substrate wafer 110 opposite to the protective substrate wafer 130 is bonded, and the compliance substrate 40 is bonded to the protective substrate wafer 130. The ink jet recording head having the above-described structure is manufactured by dividing the flow path forming substrate wafer 110 and the like into one chip size as shown in FIG.
なお、本発明に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、上述の製造方法に限定されるものではない。例えば、圧電素子３００を次のような手順で形成するようにしてもよい。なお、図９及び図１０は、圧電素子の短手方向の断面図である。 The manufacturing method of the ink jet recording head according to the present invention is not limited to the above manufacturing method. For example, the piezoelectric element 300 may be formed by the following procedure. 9 and 10 are cross-sectional views of the piezoelectric element in the short direction.
まず、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に弾性膜５０及び絶縁体膜５５を形成した後、図９（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の全面、すなわち絶縁体膜５５上に下電極膜６０を形成する。次いで、図９（ｂ）に示すように、下電極膜６０の全面に圧電体層７０を形成する。なお、圧電体層７０自体の形成方法は、上述の通りである。また、下電極膜６０の全面に圧電体層７０を形成する場合、圧電体層７０の上面は、実質的に平面となる。次いで、図９（ｃ）に示すように、圧電体層７０上に所定パターンのレジスト膜２５０を形成する。次いで、図１０（ａ）に示すように、圧電体層７０の露出された上面を下電極膜６０側を凸とする曲面となるように加工する。具体的には、例えば、流路形成基板用ウェハ１１０を自転及び公転させながら、イオンミリング等により斜め上方から圧電体層７０にアルゴン（Ａｒ）プラズマ等を照射する。これにより、圧電体層７０の中央部が多く除去され、圧電体層７０の表層が凹状に除去される。すなわち、圧電体層７０の露出された上面が下電極膜６０側を凸とする曲面に形成される。その後、レジスト膜２５０を除去し、図１０（ｂ）に示すように、圧電体層７０上に上電極膜８０を形成する。そして、図１０（ｃ）に示すように、上電極膜８０、圧電体層７０及び下電極膜６０を、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等により順次パターニングすることによって圧電素子３００を形成する。勿論、このような製造方法によっても、短手方向の両端部における圧電体層７０の厚さが中央部よりも相対的に厚い圧電素子３００を良好に形成することができる。 First, as shown in FIG. 5A and FIG. 5B, after the elastic film 50 and the insulator film 55 are formed on the flow path forming substrate wafer 110, as shown in FIG. The lower electrode film 60 is formed on the entire surface of the flow path forming substrate wafer 110, that is, on the insulator film 55. Next, as shown in FIG. 9B, the piezoelectric layer 70 is formed on the entire surface of the lower electrode film 60. The method for forming the piezoelectric layer 70 itself is as described above. When the piezoelectric layer 70 is formed on the entire surface of the lower electrode film 60, the upper surface of the piezoelectric layer 70 is substantially flat. Next, as shown in FIG. 9C, a resist film 250 having a predetermined pattern is formed on the piezoelectric layer 70. Next, as shown in FIG. 10A, the exposed upper surface of the piezoelectric layer 70 is processed to be a curved surface with the lower electrode film 60 side convex. Specifically, for example, while rotating and revolving the flow path forming substrate wafer 110, the piezoelectric layer 70 is irradiated with argon (Ar) plasma or the like obliquely from above by ion milling or the like. As a result, the central portion of the piezoelectric layer 70 is largely removed, and the surface layer of the piezoelectric layer 70 is removed in a concave shape. That is, the exposed upper surface of the piezoelectric layer 70 is formed into a curved surface with the lower electrode film 60 side convex. Thereafter, the resist film 250 is removed, and an upper electrode film 80 is formed on the piezoelectric layer 70 as shown in FIG. Then, as shown in FIG. 10C, the piezoelectric element 300 is formed by sequentially patterning the upper electrode film 80, the piezoelectric layer 70, and the lower electrode film 60 by, for example, reactive ion etching (RIE) or the like. . Of course, even with such a manufacturing method, it is possible to satisfactorily form the piezoelectric element 300 in which the thickness of the piezoelectric layer 70 at both ends in the lateral direction is relatively thicker than that of the central portion.
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、勿論上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、圧電体層７０の厚さが、その短手方向中央部から両端部側に向かって漸大するようにした例を説明したが、圧電体層７０は、例えば、図１１に示すように、その短手方向中央部から両端部側に向かって段階的に厚さが厚くなっていてもよい。また、圧電体層７０の上面は曲面となっていなくてもよい。このような構成としても、上述したように、振動板腕部の応力集中は抑えられる。
(Other embodiments)
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, of course, this invention is not limited to embodiment mentioned above. For example, in the above-described embodiment, the example in which the thickness of the piezoelectric layer 70 is gradually increased from the central portion in the short direction toward both end portions has been described. As shown in FIG. 11, the thickness may gradually increase from the short-side center portion toward both end portions. Further, the upper surface of the piezoelectric layer 70 may not be a curved surface. Even in such a configuration, as described above, stress concentration in the diaphragm arm portion can be suppressed.
また、このようなインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１２は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。図１２に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。 Such an ink jet recording head constitutes a part of a recording head unit including an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 12 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus. As shown in FIG. 12, in the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head, cartridges 2A and 2B constituting ink supply means are detachably provided, and a carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted. Is provided on a carriage shaft 5 attached to the apparatus body 4 so as to be movable in the axial direction. The recording head units 1A and 1B, for example, are configured to eject a black ink composition and a color ink composition, respectively.
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上を搬送されるようになっている。 The driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is moved along the carriage shaft 5. The On the other hand, the apparatus body 4 is provided with a platen 8 along the carriage shaft 5, and a recording sheet S, which is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown), is conveyed on the platen 8. It is like that.
また、上述の実施形態では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液滴を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。さらに本発明は、液体噴射ヘッド（インクジェット式記録ヘッド等）に搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置に適用できることは言うまでもない。 In the above-described embodiment, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head. However, the present invention is widely intended for the entire liquid ejecting head, and ejects liquid droplets other than ink. Of course, the present invention can also be applied to a liquid ejecting head. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like. Furthermore, it goes without saying that the present invention can be applied not only to an actuator device mounted on a liquid ejecting head (such as an ink jet recording head) but also to an actuator device mounted on any device.
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ インク供給路、 １４ 連通路、 １５ 連通部、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３２ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １１０ 流路形成基板用ウェハ、 １３０ 保護基板用ウェハ、 ２５０ レジスト膜、 ３００ 圧電素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flow path formation board | substrate, 12 Pressure generation chamber, 13 Ink supply path, 14 Communication path, 15 Communication part, 20 Nozzle plate, 21 Nozzle opening, 30 Protection board, 32 Reservoir part, 40 Compliance board, 50 Elastic film, 55 Insulation Body film, 60 Lower electrode film, 70 Piezoelectric layer, 80 Upper electrode film, 90 Lead electrode, 100 Reservoir, 110 Flow path forming substrate wafer, 130 Protective substrate wafer, 250 Resist film, 300 Piezoelectric element
Claims (8)
該圧電素子の短手方向の断面における各圧電素子の前記圧電体層の両端部側の厚さが中央部よりも相対的に厚くなっていることを特徴とするアクチュエータ装置。 A plurality of piezoelectric elements comprising a lower electrode provided on one side of the substrate, a piezoelectric layer provided on the lower electrode, and an upper electrode provided on the piezoelectric layer;
An actuator device, characterized in that the thickness of each piezoelectric element on both ends of the piezoelectric layer in the cross section in the short direction of the piezoelectric element is relatively thicker than the central part.
前記基板上に所定パターンの前記下電極を形成する工程と、前記下電極が形成された基板上にレジスト材料を塗布して前記圧電体層が形成される領域以外の領域にレジスト膜を形成する工程と、該レジスト膜が形成された基板上に圧電材料を塗布し圧電材料を前記レジスト膜で画成される凹部内に充填することによって圧電体前駆体膜を形成し、該圧電体前駆体膜を乾燥・脱脂・焼成することにより前記圧電素子の短手方向の断面において両端部側の厚さが中央部よりも相対的に厚い圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に前記上電極を形成する工程と、を具備することを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。 Method for manufacturing an actuator device having a plurality of piezoelectric elements comprising a lower electrode provided on one side of a substrate, a piezoelectric layer provided on the lower electrode, and an upper electrode film provided on the piezoelectric layer Because
Forming the lower electrode in a predetermined pattern on the substrate; and applying a resist material on the substrate on which the lower electrode is formed to form a resist film in a region other than the region where the piezoelectric layer is formed. A piezoelectric precursor film is formed by applying a piezoelectric material on the substrate on which the resist film is formed and filling the piezoelectric material into a recess defined by the resist film, and the piezoelectric precursor Forming a piezoelectric layer having a thickness relatively thicker than that of the central portion in the cross section in the short-side direction of the piezoelectric element by drying, degreasing and firing the film; and on the piezoelectric layer And a step of forming the upper electrode.
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